VRLA蓄電池在光伏系統的應用

前言

中國幅員遼闊，人口分布不均，東密西疏，因地理環境和經濟相對落后等原因，造成一些地區的電力相對匱乏，國家電力電網無法覆蓋，無法集中供電，或者電網質量不穩定，給當地的經濟發展，人民生活的改善造成一定的障礙。尤其在中國的北方、西北等地問題尤為突出，迫切需要有適合當地區使用的穩定可靠的電力系統。現在常用的單獨供電系統有發電機組、太陽能系統、風力發電系統、風光互補系統。

發電機組，以一次能源作為動力源推動內燃機，內燃機傳動發電機，發電機做磁力線切割運動產生電能。而一次能源資源越來越稀少，價格越來越高，并且嚴重影響自然環境。

太陽能系統、風力發電系統、風光互補系統，以自然界取之不盡用之不完的光能、風能作為能量源，通過一定裝換裝置轉化為可以使用的電能，此能源自然、環保，充分體現了節能、環保、愛地球的理念。而此類電源能夠持續供電的能力需要儲能設備提供保障，目前主要使用的儲能設備有鎘鎳電池、VRLA蓄電池。但由于成本，原材料缺乏等原因，鎘鎳電池逐步被VRLA蓄電池取代。下面以光伏系統為例介紹一下VRLA蓄電池在光伏系統的應用。

光伏系統介紹

一.光伏系統的工作原理：

在光照條件好的情況下，太陽電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串并聯形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統輸入電壓的要求。一部分供給電力系統使用，一部分通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將光能轉換而來的電能儲存起來。在光照條件達不到要求時，蓄電池組再通過逆變器提供電力系統所需的電力。

二.光伏系統的組成：

光伏系統是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器等設備組成。其各部分設備的作用是：

(1)太陽能電池方陣：在有光照情況下，電池吸收光能，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生"光生電壓"，這就是"光生伏打效應"。在光生伏打效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，是能量轉換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。

(2)蓄電池組：其作用是儲存太陽能電池方陣受光照時發出的電能并可隨時向負載供電。

(3)控制器：自動控制電力的選擇，在市電、太陽能電、蓄電池電之間選擇，對蓄電池充電。

(4)逆變器：是將直流電轉換成交流電的設備。

光伏系統對蓄電池性能要求分析

一.光伏發電系統用蓄電池的工作條件：

在光伏電站使用環境中，光照條件好時(白天)，太陽能電池組件接收太陽光，輸出電能，一部分直流和交流負載工作，另一部分供給蓄電池充電;光照條件不好時(夜晚或陰雨天)，太陽能電池組件無法工作，蓄電池組供電，供給直流或交流負載，蓄電池是處于循環狀態，所以，在這種使用環境下，蓄電池的壽命為循環壽命。

應用于光伏系統中的蓄電池的工作條件和蓄電池應用在其它場合的工作條件不同。其主要區別可以概括為以下幾點:

(1)充電率非常小,由于成本，位置空間等問題，太陽電池投入數量會受到很大的限制，為了保證電力系統的正常使用，往往提供給蓄電池的充電電力變得十分有限，平均充電電流一般為0.05C10～0.1C10,很少達到0.1C10A。

(2)放電率非常小,太能系統設計時需要考慮到最大負載容量，最長后備時間，配置的蓄電池容量較大，而實際使用過程中負載相對設計負載小得多，蓄電池放電率通常為C20～C240,或者更小。

(3)由于受到自然資源的限制,蓄電池只有在有日照時才能充電:即充電時間受到限制。

(4)不能按給定的充電規律對蓄電池進行充電。

二.光伏發電系統對VRLA蓄電池的性能要求:

光伏發電系統中的蓄電池頻繁處于充電—放電的反復續循環中，由于日照的不穩定性，過充電和深放電的不利情況時有發生，加之光伏發電系統大部分在西部地區使用，海拔都在2500M以上。因此，對光伏發電系統中的蓄電池有如下要求：

(1)具有深循環放電性能，充放電循環壽命長;

(2)耐過充電能力強;

(3)過放電后容量恢復能力強;

(4)良好的充電接受能力;

(5)電池在靜態環境中使用時，電解液不易分層;

(6)具有免維護或少維護的性能;

(7)應具備良好的高、低溫充放電特性;

(8)能適應高海拔(海拔都在2500M以上)地區的使用環境;

(9)蓄電池組中各蓄電池一致性良好。

三.影響光伏發電系統用儲能VRLA蓄電池壽命的因素：

(1)正極活性物質軟化脫落

VRLA蓄電池在循環使用條件下,電池的失效主要是由正極活性物質(pAM)的軟化、脫落所致。

鉛酸電池循環過程中,正、負極活性物質經歷了可逆的溶解再沉積過程,改變了多孔二氧化鉛電極的結構。尤其對二氧化鉛電極,可能會引起表觀體積的增加,改變顆粒和孔尺寸的分布，多孔二氧化鉛結構中顆粒之間的機械結合性能和導電性能降低，隨著循環的繼續,這種情況還會進一步的惡化,結果使得該區域的活性物質軟化和脫落。

(2)放電電流對蓄電池壽命影響

在光伏系統中,蓄電池的放電電流非常小。在小電流條件下形成的pbSO4比大電流條件下形成的pbSO4轉化困難得多。這是因為在小電流條件下形成的pbSO4結晶顆粒要比大電流條件下形成的pbSO4結晶顆粒粗大，粗大的pbSO4結晶顆粒減少了pbSO4的有效面積,這樣在再充時加速了極板極化,導致pbSO4轉化困難，隨著循環的繼續,這種情況還會更加加劇,結果使得極板充不進電，最后導致蓄電池壽命終止。

(3)深度放電后蓄電池容量恢復

在光伏系統中,蓄電池的放電率要比蓄電池應用在其它場合低,通常介于C20～C240，甚至更低。小電流下深度放電意味著極板上的活性物質將得到更充分的利用。在許多光伏系統中,通常不會發生深度放電,除非充電系統出現故障或者持續長時間的壞天氣。在這種情況下,如果蓄電池得不到及時的再充電,硫化問題將更加嚴重,進一步導致容量損失。

(4)酸分層對蓄電池壽命影響

電解液分層現象是由于重力的作用在電池的充放電過程中產生的，即充電時正負極板表面都產生H2SO4,它的密度大,因重力的作用而下沉。在放電時,正負極板表面均消耗H2SO4,故表面液層密度小,低密度的電解液順著極板間上升,而極群上部高密度的電解液則從極群側面向下流,電解液流動的結果造成了上部密度低、下部密度高。分層現象的產生對蓄電池的使用壽命和容量均產生不利影響，加速了板柵的腐蝕和正極活物質的脫落,導致負極板硫酸鹽化。

(5)電液密度對鉛蓄電池壽命的影響

電解液的濃度不僅與蓄電池的容量有關，而且與正極板柵的腐蝕和負極活性物質硫酸鹽化有關。過高的硫酸濃度加速了正極板柵的腐蝕和負極活性物質硫酸鹽化，并導致失水加劇。

(6)板柵合金的影響

VRLA蓄電池，由于長期使用,正極板柵會在電解液的作用下逐步腐蝕并長大,板柵的長大使活物質和板柵的結合性降低,從而導致電池容量逐漸喪失。這種正極板柵的腐蝕和長大主要受板柵的合金組成、電解液密度以及板柵筋條形狀等因素的影響。

在蓄電池充電過程中,板柵和活性物質的接口上形成非導電層,這些非導電層或低導電性層在板柵和pAM界面引起了高的阻抗,導致充放電時發熱和板柵附近pAM膨脹,從而限制了電池的容量(即所謂的pCL效應)。

(7)極板的厚度的影響

極板的厚度應屬于電池設計方面的問題，一般來說，較厚極板的循環壽命要長于較薄極板，而活性物質利用率相比之下要差一些。但有利于循環循環壽命的延長。

(8)裝配壓力的影

裝配壓力對VRLA電池壽命有很大影響,AGM隔板彈性差,組裝時,極群不加壓或壓力過小,隔板和極板之間不能保持良好的接觸,電池容量大大下降。

在循環過程中，活性物質的膨脹、疏松、脫落是電池壽命提前終結的原因之一，而采用較高的裝配壓力可以防止活性物質在深循環過程中的膨脹。若裝配壓力太低，還會導致隔板過早地與極板分離，引起電液傳輸困難，電池內阻迅速增大，容易導致蓄電池壽命終止。因此，采用較高的裝配壓力是電池具有長循環壽命的保證。

(9)溫度的影響

高溫對蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用，低溫會引起負極失效，溫度波動會加速枝晶短路等等，這些都將影響電池壽命。在一定環境溫度范圍放電時，使用容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減小。在環境溫度10～45℃范圍內，鉛蓄電池容量隨溫度升高而增加，如閥控密封鉛蓄電池在40℃下放電電量，比在25℃下放電的電量大10%左右，但是，超過一定溫度范圍，則相反，如在環境溫度45～50℃條件下放電，則電池容量明顯減小。低溫(<5℃)時，電池容量隨溫度降低而減小，電解液溫度降低時，其粘度增大，離子運動受到較大阻力，擴散能力降低;在低溫下電解液的電阻也增大，電化學的反應阻力增加，結果導致蓄電池容量下降。其次低溫還會導致負極活性物質利用率下降，影響蓄電池容量，如電池在-10℃環境溫度環境溫度下放電時，負極板容量僅達35%額定容量。

通常情況下，若在25℃條件下使用時，蓄電池的壽命為3年，那么30℃條件下使用時，就下降至2.5年;40℃時就下降至1.5年。即以25℃為基準，每升高10℃，其使用壽命縮短一半

四.光伏系統用儲能VRLA蓄電池的設計實踐

根據光伏系統用蓄電池的工作條件以及對光伏系統用蓄電池性能的特殊要求，結合上述影響蓄電池壽命的因素，在原VRLA蓄電池的基礎上進行了一系列的研究和技術改進，設計開發了光伏系統專用VRLA蓄電池。具體改進措施包含以下幾方面：

(1)板柵合金：采用了適合與循環使用鉛銻或者鉛鎘板柵合金，既能防止極板在使用過程中腐蝕增長，又可消除板柵和活性物質的界面上的阻擋層，杜絕了早期容量衰減。其充電效率和深放電后的恢復性能都很理想。由于鎘為有毒元素，現在限制使用。但由于鉛銻合金電池，失水嚴重，現在一般做成開口式蓄電池需要定期補水，需要人員定期維護。

(2)板柵結構：采用了特殊的板柵結構，可防止因板柵增長而導致蓄電池損壞，并增加了板柵的厚度，以延長蓄電池的使用壽命。現在常用管式正極板柵設計，有限解決了因活性與板柵之間接觸不好的問題。

(3)鉛膏：在正、負鉛膏中，添加能增加導電性的添加劑，如石墨、乙炔黑等，并改進和膏工藝和固化工藝，提高了蓄電池的充電接受能力、過放電后容量恢復能力和深循環壽命。

(4)裝配壓力：提高了電池的裝配壓力，以提高蓄電池的循環使用壽命。采用了高強度緊裝配技術，確保蓄電池緊裝配壓力得以實現。

(5)電解液：降低了硫酸電解液的比重，并添加了特殊的電液添加劑，可以降低對極板的腐蝕，減少電液分層的產生，提高了電池的充電接受能力，和過放電性能。

(6)雜質的控制：對各種材料的雜質(如Sb、Fe、Ni等)進行嚴格的控制，特別是合金中雜質的控制，降低了電池的自放電，杜絕了負極總線腐蝕現象的發生。

(7)正負活性物質的配比：針對光伏系統用儲能VRLA蓄電池的充放電特點，調整了正負活性物質的配比，提高蓄電池的循環壽命。

(8)安全閥：對安全閥還考慮了海拔2500m以上的高原氣候的影響，特別調整了開閉閥壓力，采用專用安全閥。

(9)電池結構：降低了電池總高度。采用用矮型結構生產，可以大大降低由于電液分層現象導致蓄電池的使用壽命和容量受到不利影響。但由于膠體電池不易出現電解液分層現場，無此限制。

(10)蓄電池各單體電池的一致性：這里提到的一致性不僅是指電池的開路電壓，初期容量，還包括電池的內阻，自放電，以及充電效率等，這就要求足夠的制造精度，即從鉛粉、鑄片、和膏、涂片、固化、化成、干燥裝配、加酸、充電到最后的四項功能檢測都必須控制在較小的公差范圍內，所以采用機鑄、機涂、組立機裝配以及精確注酸是確保電池一致性的可靠保證，盡量減少人為因子。

總結

由于光伏發電系統用轉化效率低，成本高，以及沒有相應配套的鼓勵發展的法律法規，使得光伏系統發展較慢。但發展新型能源是大勢所趨，必將高速發展。而儲能蓄電池目前主要包括鎘鎳蓄電池和鉛酸蓄電池，其中鎘鎳電池正逐步被淘汰。鉛酸蓄電池包括富液式和貧液式，必將在近幾年在光伏發電系統都得到廣泛的應用。